Une approche novatrice pour la construction de cellules solaires à couches minces de trisulfure d’antimoine

D’après pv magazine international.

Une équipe de scientifiques de l’Université de technologie de Tallinn (TalTech) a mis au point une cellule solaire basée sur du trisulfure d’antimoine (Sb₂S₃) à l’aide de la sublimation en espace clos, une technique de dépôt physique en phase vapeur couramment utilisée pour les cellules solaires à couches minces de tellurure de cadmium (CdTe).

Avec ses éléments constitutifs abondants sur terre, respectueux de l’environnement et possédant des propriétés optoélectroniques adéquates, notamment une bande interdite d’environ 1,7 eV, un coefficient d’absorption élevé d’environ 10⁵ cm^–1 et une stabilité à long terme, le Sb₂S₃constitue un candidat prometteur pour la communauté du photovoltaïque. Le rendement le plus élevé pour de tels dispositifs PV enregistré jusqu’à présent est de 8 %.

« Pour la première fois, nos travaux ont apporté la démonstration de faisabilité d’une cellule solaire en Bi₂S₃ par sublimation en espace clos, et une analyse en profondeur des relations entre structure des grains, recombinaison à l’interface et performance du dispositif a été réalisée, explique Mykhailo Koltsov, auteur principal de l’étude, à pv magazine. En recourant à la photoluminescence (PL) à basse température, nous avons apporté pour la toute première fois un aperçu nouveau et complémentaire des défauts possibles et des mécanismes de recombinaison pour le matériau PV Bi₂S₃, écologique et abondant sur terre. »

À l’origine, les universitaires ont développé plusieurs couches d’absorption en Bi₂S₃, déposées sur différents substrats. Ensuite, grâce à la microscopie électronique par balayage, ils ont étudié leurs propriétés et leur morphologie en vue de recenser celles qui présentaient la croissance optimale.

À l’aide de la meilleure couche d’absorption, les scientifiques ont construit une cellule basée sur un substrat en verre et oxyde d’étain dopé au fluor (FTO), une couche de transport des électrons en dioxyde de titane (TiO2), l’absorbeur Sb₂S₃et des contacts métalliques en or (Au). L’absorbeur Bi2S3 a été déposé à 450 °C. Ils ont également construit un dispositif similaire doté d’une ETL à base de sulfure de cadmium (CdS).

La première cellule a atteint un rendement de conversion énergétique de 0,1 %, une tension de circuit ouvert de 10 mV, un courant de court-circuit de 3,5 mA/cm² et un facteur de remplissage de 23,0. Le deuxième dispositif a affiché un rendement de 0,3 %, une tension de circuit ouvert de 190 mV, un courant de court-circuit de 4,6 mA/cm² et un facteur de remplissage de 32,0.

« Pour les deux configurations, élaborées avec du Bi2S3 par sublimation en espace clos à des températures de substrat inférieures à 400 °C, les rendements étaient proches de zéro, observent les chercheurs. Une température source de 550 °C et une température de substrat comprise entre 400 et 450 °C ont été identifiées comme optimales, car elles ont permis un taux de dépôt raisonnable et la fabrication de couches de Bi2S3 uniformes. »

D’après Mykhailo Koltsov, le développement de la technologie PV au Bi2S3 nécessiterait des températures de transformation plus basses et constituerait un gain de temps par rapport aux technologies industrielles de pointe pour les couches minces, notamment grâce à l’utilisation d’absorbeurs plus minces déposés à l’aide de processus comprenant une seule étape.

« Cela permet une réduction significative des besoins en énergie pour la fabrication, et donc une empreinte carbone et un impact environnemental moins élevés, poursuit-il. L’impact écologique est aussi réduit par l’absence de matériaux toxiques ou dangereux dans le processus de fabrication. »

Le potentiel de réduction des coûts énergétiques liés à la production se comprend bien si l’on tient compte de la compatibilité avec la technologie bien implantée des couches minces en CdTe. L’utilisation des infrastructures existantes pourrait en effet servir à réduire les coûts des modules CdTe par watt pour un rendement équivalent.

« Les prix du cadmium et du tellurure sont actuellement respectivement d’environ 2,98 €/kg et de 63 €/kg, précise Mykhailo Koltsov. Le bismuth et le sulfure, les deux composants du Bi₂S₃, coûtent approximativement 7,77 €/kg et jusqu’à 0,45 €/kg respectivement. En outre, la couche d’absorption en Bi₂S₃ mesure moins d’1 µm d’épaisseur, tandis que l’absorbeur CdTe a généralement une épaisseur de 2 µm. »

Selon lui, la technologie Bi₂S₃ dispose du potentiel nécessaire pour réduire le prix de l’électricité générée par le PV, et vise des coûts de production inférieurs à 0,20 €/W.

Cette technique de fabrication de cellules solaires est décrite dans l’article « Development of Bi₂S₃ thin film solar cells by close-spaced sublimation and analysis of absorber bulk defects via in-depth photoluminescence analysis », récemment paru dans Solar Energy Materials and Solar Cells.

D’autres chercheurs de la TalTech ont présenté en avril une cellule solaire basée sur du trisulfure d’antimoine (Sb₂S₃) qui utilise des matériaux transporteurs des trous à base de fluorène avec des terminaux en thiophène. Le meilleur dispositif construit affiche un rendement de conversion énergétique de 4,94 %, une tension de circuit ouvert de 0,68 V, un courant de court-circuit de 13,7 mA/cm² et un facteur de remplissage de 0,53.

Traduction assurée par Christelle Taureau.

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